Интеллектуальные силовые модули реферат

Обновлено: 07.07.2024

Эволюция интегрированных компонентов силовой электроники — силовых ключей, микросхем и силовых модулей — наиболее перспективное направление интеллектуальной силовой электроники. Сегодня эта отрасль развивается стремительно — прежде всего, благодаря успехам в совершенствовании технологии изготовления и в значительном улучшении параметров мощных полевых транзисторов (MOSFET), биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых диодов, силовых драйверов (микросхем). Интеграция схем управления и сопряжения (контроллеров, драйверов) в силовые ключи (точнее, в силовые модули), а затем в исполнительные устройства и механизмы стала необходимым и естественным шагом. Широко осуществляемый переход от аналогового управления к цифровому (на базе микропроцессоров и микроконтроллеров) происходит также и в интеллектуальной силовой электронике. В настоящее время и тем более в будущем широкое развитие интеллектуальной силовой электроники однозначно предопределено.

Интенсивное развитие силовой электроники в конце XX века было обусловлено глобальными проблемами энергообеспечения, обострившими внимание к проблемам обеспечения энергоэффективности и энергобезопасности, прежде всего в области силовых устройств (СУ). Главным образом речь идет об усовершенствовании всех систем энергоснабжения (экономичность, бесперебойность электропитания, надежность и живучесть СУ) на фоне постоянного роста потребности в электроэнергии и цен на энергоносители. Поэтому многие специалисты считают XXI век веком силовой электроники. Работа авторов, посвященная интеллектуальной силовой электронике, написана в 2005 г. и опубликована в начале 2006 г. [1]. За прошедшее с тех пор время это направление силовой электроники развивалось очень динамично. Поэтому авторы считают полезным и необходимым рассказать о произошедших за минувшие годы изменениях. Кроме того, важно еще раз проанализировать особенности и тенденции развития интеллектуальных (интегрированных) силовых устройств.

Немного истории

Начальный этап развития интеллектуальных силовых компонентов условно завершился к середине 1990-х. Как уже упоминалось, чрезмерный оптимизм относительно быстрого роста рынка сбыта этих приборов не оправдался. Причины этого, по нашему мнению, кроются в следующем:

  • неподготовленность широкого круга специалистов и потребителей к восприятию новых идей и продуктов, а главное — к их применению (пришлось бы отказаться от наработанных годами схемно-конструктивных решений и готовых СУ);
  • сравнительно невысокий, по современным воззрениям, уровень параметров мощных силовых ключей с преобладанием в их массе биполярных транзисторов;
  • гораздо более высокие цены на Smart Power, как на более сложные изделия (зачастую заказные).

В то же время ведущие фирмы силовой электроники Siemens, Motorola, International Rectifier и другие начинают в большом объеме производить силовые модули на основе MOSFET- и IGBT-транзисторов. Силовые модули разделяются на стандартные и интеллектуальные (интегрированные) — Integrating Power Switches (IPM). В статье [6] предложено определение IPM: устройство высокой степени интеграции, объединяющее в одном корпусе или на одном кристалле силовой каскад и схему управления затворами. Модули представляли собой комбинацию (полумосты и мосты, одно- и трехфазные) только мощных высоковольтных MOSFET (500B) вместе с силовыми диодами (антипараллельными), производство которых уже было хорошо освоено. Аналогично появляются сборки нового класса силовых полупроводниковых приборов — биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) на напряжение 600-1200 B. Модули выполнялись в специальных корпусах, в которых все выводы электрически изолированы от металлического корпуса (основания).

Обзор современного состояния интегрированных силовых компонентов

Российский рынок силовых компонентов в основном заполнен продукцией импортного производства. В работе [8] в этом аспекте для силовых модулей приводится показатель 95%, хотя при этом существуют и российские аналоги. Поэтому при изложении материала авторы вынуждены больше опираться на достижения ведущих зарубежных фирм в указанной области, хотя и отечественным успехам будет справедливо уделено внимание. Предварительно укажем, что на современном этапе многие фирмы значительно усовершенствовали технологию изготовления (HEXFET, CoolMOS, TrenchMOS, HiPerFET) мощных высоковольтных (>500-1200 В) MOSFET и технологии (SPT, WARP, …) IGBT на напряжения 600, 1200, 1700 В, что позволило улучшить их силовые параметры. Кроме того, удалось добиться серьезных успехов и в улучшении параметров быстродействующих диодов. Все это также способствовало успехам в развитии силовых модулей, в том числе и интеллектуальных.

Интегрированные силовые модули

В настоящее время объемы выпуска интегрированных силовых модулей (IPM) непрерывно растут, постоянно расширяются их области применения:



Частотно-регулируемые приводы малой мощности широко используются, например, в бытовых и промышленных кондиционерах. Для ускорения вывода этих изделий на рынок, уменьшения габаритов и упрощения теплоотвода Infineon предлагает новый силовой модуль, объединяющий в одном корпусе повышающий корректор коэффициента мощности (ККМ), инвертор и драйвер затворов.

Обзор технологии IPM

Рис. 1. Структурная схема интеллектуального силового модуля

Рис. 1. Структурная схема интеллектуального силового модуля

Снижение стоимости модуля

Снижение общей стоимости изделия является одной из наиболее важных задач, стоящих перед разработчиками современных систем управления электродвигателями. На общую стоимость изделия существенно влияет не только стоимость комплектующих (например, модуля IPM), радиатора и печатной платы, но также время выхода изделия на рынок.

Конструкция и габаритные размеры корпуса модуля

Внешний вид и габаритные размеры корпуса модуля IPM с высокой степенью интеграции показаны на рисунке 2. Корпус размером 21х36х3,1 мм представляет собой компактную конструкцию серии CIPOS TM Mini (Control Integrated POwer System) и соответствует требованиям стандарта UL (UL 1557 File E314539) и спецификации RoHS.

Рис. 2. Внешний вид модуля

Рис. 2. Внешний вид модуля

Силовой модуль выполнен по технологии непосредственного присоединения медных проводников к подложке (Direct Copper Bond, DCB), что обеспечивает высокий коэффициент ее теплопроводности. На рисунке 3 показана внутренняя структура модуля IPM в разрезе. Все тепловыделяющие элементы – транзисторы IGBT и диоды – размещены на подложке с медными проводниками, что позволяет реализовать максимально возможный коэффициент теплопередачи. Вследствие этого, несмотря на малые габариты корпуса, силовой модуль IPM обеспечивает работу с электродвигателями мощностью до 3 кВт [1].

Рис. 3. Структура силового модуля IPM в разрезе

Рис. 3. Структура силового модуля IPM в разрезе

Габаритные размеры радиатора и печатной платы

Все силовые полупроводниковые (п/п) приборы – мостовой выпрямитель, транзистор IGBT и диод каскада ККМ, а также модуль IPM драйвера электродвигателя для лучшего отвода тепла устанавливают обычно на общем радиаторе. На рисунке 4 наглядно показано уменьшение размеров радиатора и печатной платы, а также упрощение процесса сборки при замене дискретных п/п приборов интегрированным модулем IPM [2].

Рис. 4. Установка силовых п/п на радиаторе: а) каскады ККМ и инвертора выполнены в отдельных корпусах; б) ККМ и инвертор совмещены в модуле IPM

Рис. 4. Установка силовых п/п на радиаторе: а) каскады ККМ и инвертора выполнены в отдельных корпусах; б) ККМ и инвертор совмещены в модуле IPM

Ускорение процесса разработки

Разработка схемы, топологии печатной платы и конструкции изделия могут составлять значительную часть процесса запуска его производства. Для ускорения процесса разработки и оценки возможностей нового модуля IPM имеется демонстрационная плата, содержащая минимальный набор периферии для управления электродвигателем (рисунок 5). Внешние источники питания +5 и +15 В, сигналы управления ШИМ, дроссель ККМ и электролитический конденсатор шины питания постоянного тока подключаются к демонстрационной плате проводным монтажом.

Рис. 5. Внешний вид демонстрационной платы модуля IPM: а) лицевая сторона, б) обратная сторона

Рис. 5. Внешний вид демонстрационной платы модуля IPM: а) лицевая сторона, б) обратная сторона

Каскад ККМ с рабочим напряжением 650 В

Комапния Infineon Technologies разработала две линейки продуктов, отличающихся характеристиками транзисторов IGBT каскада ККМ – High Speed 3 (HS3) и TRENCHSTOP TM 5 (TS5) с частотами коммутации, соответственно, 20 и 40 кГц (таблица 1). Быстрый диод EMCON разработки Infineon оптимизирован для работы с транзистором IGBT TRENCHSTOP TM в повышающем преобразователе ККМ. Данный диод сочетает малое прямое падение напряжения VF для уменьшения потерь проводимости с малым значением тока обратного восстановления Irr, что позволяет снизить энергию EON потерь на включение IGBT [3]. Все IGBT каскада ККМ имеют рабочее напряжение 650 В и обеспечивают надежную и устойчивую работу, в том числе – при нестабильном напряжении сети переменного тока [4].

Таблица 1. Значения рабочих токов и напряжений и частоты коммутации линеек IGBT

Наименование Наименование для заказа Каскад ККМ Каскад инвертора Макс. мощность двигателя, кВт
Напряжение, В Ток, А Частота, кГц Напряжение, В Ток, А Частота, кГц
IFCM15P60GD IFCM15P60GDXKMA1 650 30 40 600 15 5 3
IFCM15S60GD IFCM15S60GDXKMA1 650 30 20 600 15 5 3
IFCM10P60GD IFCM10P60GDXKMA1 650 30 40 600 10 5 2
IFCM10S60GD IFCM10S60GDXKMA1 650 30 20 600 10 5 2

Основные характеристики инвертора

Каскад инвертора включает в себя драйвер на изолированной подложке (SOI), устойчивый к переходным процессам, и терморезистор, которые в совокупности обеспечивают ряд дополнительных функций для безопасной эксплуатации инвертора:

  • при переходных процессах допускается отрицательное напряжение на выводе VS до -11 В при VBS = 15 В;
  • схема bootstrap интегрирована в драйвер затворов;
  • при пониженном напряжении питания драйвера происходит блокировка работы всех каналов;
  • предотвращается появление сквозных токов в силовых транзисторах;
  • все шесть ключей остаются в выключенном состоянии при срабатывании защиты;
  • при перегрузке по току происходит отключение;
  • осуществляется контроль температуры.

Защита перегрузки по току

Новый модуль IPM контролирует напряжение на выводе ITRIP, и при превышении им величины VIT,TH+ (порога нарастающего положительного напряжения) вырабатывается аварийный сигнал, выключающий все шесть транзисторов IGBT. Максимальную величину порога перегрузки по току устанавливают, как правило, в два раза меньше номинального тока коллектора (рисунок 6) [5].

Рис. 6. Временная диаграмма срабатывания защиты от перегрузки по току

Рис. 6. Временная диаграмма срабатывания защиты от перегрузки по току

Защита от перегрева

В состав модуля IPM входит терморезистор, обеспечивающий защиту от перегрева. Номинальное сопротивление терморезистора составляет 85 кОм при температуре 25°C и 5,4 кОм при 100°C (рисунок 7).

Рис. 7. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры

Рис. 7. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры

Как видно из рисунка 8, терморезистор модуля подключен параллельно открытому стоку транзистора аварийного сигнала, вследствие чего выход VFO модуля может подключаться одновременно к входу АЦП и входу обнаружения неисправности микроконтроллера.

Рис. 8. Схема защиты модуля от перегрева

Для номинала подтягивающего резистора R1 = 3,6 кОм предельной температуре модуля 100°C соответствует напряжение на выводе VFO 2,95 В при Vcrt = 5 В и 1,95 В при Vcrt = 3,3 В (рисунок 9).

Рис. 9. Зависимость напряжения VFO от температуры

Рис. 9. Зависимость напряжения VFO от температуры

Тепловой режим модуля

На рисунке 10 показаны испытательная схема модуля и осциллограммы ее работы, на основе которых можно определить рабочие характеристики и тепловой режим модуля при входной мощности 2 кВт. Управление силовым каскадом ККМ осуществляется контроллером ICE2PCS05G, входная мощность PIN = 2 кВт, питание осуществляется от сети переменного тока VIN = 220 В, частота – 60 Гц. Напряжение шины питания постоянного тока VDC = 400 В, частота коммутации инвертора 5 кГц, частота коммутации ККМ 20 кГц, нагрузка активно-индуктивная (R = 13,75 Ом, L = 2,96 мГн, коэффициент мощности нагрузки 0,99), MI = 0,69, сопротивление резистора цепи затвора Rg = 5,1 Ом, температура окружающей среды Ta = 25°C. Испытуемый модуль – IFCM15S60GD. На входе испытуемого устройства коэффициент мощности составляет 0,995, а суммарный коэффициент гармонических искажений – 9,78%.

Рис. 10. Испытательная схема модуля (а) и осциллограммы в контрольных точках испытательной схемы (б)

Рис. 10. Испытательная схема модуля (а) и осциллограммы в контрольных точках испытательной схемы (б)

Температура корпуса в месте установки IGBT каскада ККМ составляет 67,5°C, что является максимальной температурой модуля, при этом температура инвертора не превышает этого значения. Результаты исследования теплового режима IFCM15S60GD показывают возможность его работы с нагрузкой 2 кВт и более (рисунок 11).

Рис. 11. Контрольные точки измерения температуры модуля IFCM15S60GD (а) и графики установления температуры в контрольных точках модуля (б)

Рис. 11. Контрольные точки измерения температуры модуля IFCM15S60GD (а) и графики установления температуры в контрольных точках модуля (б)

Заключение

Новый интеллектуальный силовой модуль представляет собой оптимальный вариант устройства, объединяющего в себе инвертор и ККМ, что позволяет использовать его в приводах электродвигателей с переменной частотой вращения, например, в комнатных кондиционерах. Компания Infineon Technologies обладает всеми необходимыми технологиями и оказывает поддержку своим клиентам в производстве компактных и эффективных устройств, отличающихся минимальными габаритами, привлекательной ценой и малым временем выхода изделий на рынок.


Структурная схема одиночного IPM приведена на рис. 3.2. При отклонении от нормы перечисленных параметров схема защиты выключает силовой транзистор и выдает сигнал неисправности. В полу мостовых и мостовых конфигурациях IPM отключаются транзисторы нижнего уровня.


Рис. 3.2. Структурная схема одиночного 1GBT – модуля

В современных IPM используется непрерывный мониторинг тока каждого силового ключа и общего тока потребления. Режим к. з. наступает при замыкании нагрузки или сбое работы контроллера, когда сигналы включения поступают сразу на IGBT в обоих плечах мостовой схемы, вызывая сквозной ток. Если непосредственно измеряемый ток коллектора достигает порогового значения ISC, процесс выключения модуля начинается мгновенно, но снижение напряжения на затворе происходит по определенному закону для снижения переходных напряжений. Для уменьшения времени между моментом обнаружения к. з. и моментом выключения используется схема контроля тока в реальном времени (RTC). Это устройство работает параллельно драйверу и уменьшает время обработки сигнала до 100 не, что уменьшает ток к. з. и уровень перенапряжений почти в два раза. IPM может содержать встроенное ограничение (супрессор) от импульсных перенапряжений. IPM для своей работы требует гальванически изолированные источники питания и гальванически изолированный интерфейс для связи с контроллером. Чтобы устранить проблемы, связанные с шумами и помехами, создаваемыми мощными силовыми модулями, целесообразно применять для каждого силового ключа отдельный источник питания. При использовании изолированного источника питания следует обратить внимание на значение паразитной емкости между изолированными частями источника. Оно не должно быть более 100 пФ, в противном случае возникают шумы и сбои в работе драйвера. Параллельно выводам питания схемы управления присоединяется электролитический или танталовый конденсатор для фильтрации синфазных помех и обеспечения высоких пиковых токов заряда затвора. Гальваническая развязка обеспечивается оптопарами (с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала CMR не более 10 кВ/мкс, с временем переключения не более 0,8 мкс), импульсными трансформаторами, волоконно-оптическими связями.


В качестве примера на рис. 3.3 приведена структурная схема модуля IPM трехфазного инвертора, работающего в режиме ШИМ формирования выходного напряжения (выводы U-V-W).


Рис. 3.4. Элементы интеллектуального модуля

При передаче энергии слева направо используется несимметричный мост, причем управление ключами ведется раздельное: VTI работает в режиме широтноимпульсной модуляции ШИМ (174 выключен) при понижении напряжения, когда Ud Ни. Если исключить из схемы //7172, а вывод 2 дросселя ΙΛ присоединить к + Uj, то образуется схема понижающего преобразователя. Если исключить из схемы /EMI, а вывод 1 дросселя /1 присоединить к + I/,, то образуется схема повышающего преобразователя постоянного тока при том же направлении передачи энергии. Для обеспечения двунаправленной передачи энергии при Ud U0 в схеме остается /7М2, в котором раздельно используется ключ 174 – для передачи энергии слева направо, а ключ VT3 – для передачи энергии справа налево.

Для электроприводов постоянного тока применяется модуль выпрямителя, структурная схема которого приведена на рис. 3.6. Этот модуль обеспечивает работу двигателя с четырехквадрантными механическими характеристиками. Наличие входного /( -фильтра придает модулю характер активного выпрямителя, формирующего достаточно синусоидальную форму тока в питающей выпрямитель сети переменного тока.


Рис. 3.6. Структурная схема модуля выпрямителя


В режиме рекуперации энергии в сеть модуль работает как инвертор, ведомый сетью, а в режиме потребления энергии из сети – как три согласованно управляемых двунаправленных повышающих преобразователей постоянного тока. Чтобы обеспечить требуемый уровень напряжения на стороне постоянного тока, используется датчик напряжения U0, а для управления потоком энергии из сети в цепь постоянного тока или обратно – датчик тока /,,· Для ограничения тока заряда конденсатора фильтра С„ через обратный мост активного выпрямителя при его подключении к сети используется ограничительный резистор R, который шунтируется после заряда конденсатора контактом К контактора по команде микроконтроллера. Ограничение до безопасных пределов напряжения на силовых выводах (коллектор – эмиттер) достигается применением пассивных снабберных цепей, активным ограничением напряжения или регулировкой скорости переключения с помощью схемы управления затвором. MOSFLY-транзистор способен поглощать без повреждения лавинную энергию высоких значений, что позволяет ему безопасно работать на индуктивную нагрузку, в отличие от IGBT. Основные схемы снабберных цепей показаны на рис. 3.4. Пассивные снабберные цепи предназначены для ограничения уровня перенапряжений, вызванных наличием паразитных индуктивностей шин питания. При коммутации тока h в индуктивности шины запасается энергияПри наличии снабберной емкости эта энергия пере

ходит в конденсатор, номинал которого определяет уровень перенапряжения:


Накопленная в емкости энергия должна быть сброшена на снаббер- ный резистор или шину питания до следующего цикла коммутации тока. Простейший способ ограничения выбросов напряжения на силовой шине питания – установка снабберной емкости непосредственно на выводы питания модуля. Этот метод оказывается вполне пригодным для большинства схем инверторов средней мощности, номинал конденсатора обычно выбирается в диапазоне 0,1…2 мкФ. Чтобы подавить паразитные генерации, наводимые в контуре, образованном емкостью снаббера и индуктивностью шины, применяют /(( -снабберы. Такие схемы рекомендуются для низковольтных сильноточных схем, построенных, как правило, на MOSFET. В мощных высокочастотных преобразователях используются RCD- снабберы, примеры которых приведены на рис. 8, в, г. Основное требование, предъявляемое к диоду снаббера, – это минимальная индуктивность выводов. Естественно, что топология снабберной схемы должна обеспечивать низкую распределенную индуктивность связей.

Интеллектуальные силовые модули. В чем польза. Как применять, как рассчитывать.

В силовой электронике производители работают над уменьшением выделений тепла, получения минимальных габаритов и повышенной плотности мощности устройств преобразовательной техники. Одним из вариантов решения является использование устройств модульного типа. Интеллектуальные силовые модули серии CIPOS Mini предназначены для управления асинхронными электродвигателями мощностью до 6.5 кВт.

Специалисты КОМПЭЛ перевели и опубликовали application note(разделив его на отдельные части), чтобы на примере Infineon CIPOS Mini показать как применение интегральных силовых модулей, объединяющих в одном корпусе силовые транзисторы, драйверы управления и вспомогательные цепи
помогает упростить проектирование устройств силовой электроники, и сократить время вывода изделия на рынок, улучшив его технико-экономические характеристики.

В application note есть, примеры:
- подключения микроконтроллера к управляющему силовому модулю.
- схем включения силового модуля CIPOS Mini в составе электропривода
- рекомендуемых параметров источника питания
- рекомендуемой трассировки печатной платы для правильного измерения тока в силовой цепи и корректной работы защиты от токовой перегрузки
- рекомендуемой компоновки печатной платы

И описания:
- защиты от избыточного понижения напряжения и перегрузки по току
- расчета выбора резистора-датчика тока
- защиты от перегрева подобных силовых модулей
- термических характеристик
- расчетов мощности потерь
- примера расчета нарастания температуры чипа силового модуля
- краткого руководства с расчетами по выбору теплоотводящего радиатора
- общего принципа монтажа радиатора и установки силовых модулей в систему электропривода

КОМПЭЛ

Компания КОМПЭЛ была основана в 1993 году и является сегодня одной из крупнейших российских компаний, осуществляющих поставки компонентов и модулей для производителей электронной аппаратуры и различного оборудования, включающего электронику как составную часть.

Читайте также: